[发明专利]一种铋层状化合物超晶格的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铋层状化合物超晶格的制备方法。

背景技术

铋层状化合物(以下简称铋化合物)Bi₂Se₃与Bi₂Te₃既是强拓扑绝缘体(拓扑绝缘体是新近发现的一类材料形态，它们的体电子态是有能隙的绝缘体，表面则是无能隙的金属态，且这些表面态为自旋极化的)，又是优异的中低温热电转换材料。由超薄Bi₂Se₃或Bi₂Te₃层与其它适当垒层材料构成的超晶格结构被证明具有比其体材料更新颖的拓扑量子属性以及更大的热电转换优值，典型的如Bi₂Se₃与Bi₂Te₃构成的超晶格热电优值ZT≈2.4，远高于Bi₂Te₃体材料的热电优值(ZT≈1)；又如在Bi₂Te₃构成的超晶格中已观察到与超晶格周期相关的量子输运模式。因此铋化合物超晶格被认为可用于实现拓扑量子属性的调制以及更适宜制备高效热电器件。Bi₂Se₃与Bi₂Te₃为五原子层层状化合物结构，与常见的共价化合物在化学键合上有很大的不同，因此只能利用结构与其相近的另外一种层状材料作为垒层材料，Bi₂Se₃与同为五原子层构造的In₂Se₃组成超晶格，Bi₂Te₃与五原子层的Sb₂Te₃组成超晶格。目前采用超晶格的常用制备技术如分子束外延(MBE)与金属有机化合物气相外延(MOCVD)可以在多种衬底上实现铋化合物超晶格的生长。在Si衬底实现Bi₂Se₃/In₂Se₃超晶格以及在GaAs衬底实现Bi₂Te₃/Sb₂Te₃的制备。但是技术必须首先在Si(111)表面沉积In₂Se₃缓冲层才能顺利实现Bi₂Se₃/In₂Se₃超晶格的生长；为了同时满足金属有机化合物气相源的高温裂解和铋化合物的低温生长需要，必须采用特殊设计的MOCVD生长状装置，而且所用衬底材料为GaAs，成本较高。另外，Si和GaAs衬底还有导热率较高，不绝缘，不透明等缺点，不利于在其上生长的超晶格器件在热电转换、热探测、量子输运以及光学领域中的扩展研究和应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的上述缺陷，提供一种铋层状化合物超晶格的制备方法。

为解决上述技术问题，本铋层状化合物超晶格的制备方法包括以下步骤：

步骤(1)——将云母片衬底利用磁控溅射或电子束蒸发方式进行背面镀钼；将镀钼后的衬底依次浸泡在丙酮、无水乙醇溶液中进行超声波清洗，在每种溶液中清洗3min，反复清洗2至3次；用高纯氮气将云母表面吹净，再将云母衬底正面粘在胶带上，然后使用镊子夹住云母衬底沿垂直于云母表面方向快速均匀将其撕下，即得云母衬底；

步骤(2)——将云母衬底导入分子束外延系统，加热至350～450℃范围对其进行加热去气，直到背景真空度达到10^-8帕量级；

步骤(3)——将云母衬底温度降至150℃，分别升温铋束流源与硒裂解束流源温度至铋束流等效压强达到8×10^-8毫巴，硒裂解束流等效压强达到8×10^-7毫巴后，同时打开铋束流源与硒裂解束流源挡板开始生长第一层8nm厚硒化铋缓冲层，生长速率为0.8nm/min；

步骤(4)——保持硒裂解束流等效压强不变，升温束流源温度至铟束流等效压强达到8×10^-8毫巴后，关闭铋束流源挡板并将其束流等效压强增加至1.6×10^-7毫巴，同时打开铟束流源挡板生长第二层2nm厚硒化铟垒层，生长速率为0.8nm/min；